2024 年 11 月 20 日

一部の植物の優れた光合成能力が、気候に強い作物の鍵となる可能性がある

ソーク研究所の科学者らは、一部の植物種がより効率的な光合成方法を進化させた方法を発見した。この発見は、米や小麦などの作物を気候変動に対してより耐性のあるものにするのに役立つ可能性がある。

ソークニュース


一部の植物の優れた光合成能力が、気候に強い作物の鍵となる可能性がある

ソーク研究所の科学者らは、一部の植物種がより効率的な光合成方法を進化させた方法を発見した。この発見は、米や小麦などの作物を気候変動に対してより耐性のあるものにするのに役立つ可能性がある。

ラホヤ—3億年以上前、地球全体が水に覆われていた頃、光合成は古代の小さなバクテリアで初めて発達しました。その後何百万年もかけて、バクテリアは植物へと進化し、さまざまな環境の変化に合わせて自らを最適化してきました。この進化は、約30万年前に、より新しく、より優れた光合成方法の出現によって中断されました。イネなどの植物はC3と呼ばれる古い形式の光合成を続けました。一方、トウモロコシやモロコシなどの植物は、C4と呼ばれるより新しく、より効率的なバージョンを開発しました。

左から:ジョセフ・エッカーとジョセフ・スウィフト。
左から:ジョセフ・エッカーとジョセフ・スウィフト。
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クレジット:Salk Institute

現在、8,000 種類を超える C4 植物種があり、これらは特に暑く乾燥した気候でよく育ち、世界で最も生産性の高い作物種の一部となっています。しかし、大多数の植物は依然として C3 光合成で動いています。では、C4 植物はどのようにして生まれたのでしょうか。また、C3 植物も同じような進化を遂げる可能性はあるのでしょうか。

今回、ソーク研究所の科学者とケンブリッジ大学の協力者たちは、ソルガムなどのC4植物が進化して光合成の効率を高めるために必要な重要なステップを初めて発見した。また、この情報を活用して、米、小麦、大豆などの作物の生産性を高め、温暖化する気候に対して耐性を持たせる方法も発見した。

調査結果はに掲載されました 自然 11月の20、2024。

「C3植物とC4植物の違いを問うことは、何かがなぜ進化したのか、分子レベルでどのように機能するのかを知りたいという基本的な生物学的観点から重要であるだけではありません」と教授は言う。 ジョゼフ・エッカー研究の主任著者であり、ソーク国際評議会遺伝学委員長、ハワード・ヒューズ医学研究所研究員である、ジョン・F・ケネディ博士は次のように述べている。「この疑問に答えることは、気候変動と世界人口の増加に直面して、最も強健で生産性の高い作物をいかにして作れるかを理解するための大きな一歩です。」

植物の約 95% は C3 光合成を利用しています。この光合成では、葉肉細胞 (葉の中にある緑色のスポンジ状の細胞) が光、水、二酸化炭素を植物のエネルギー源となる糖に変えます。C3 光合成は広く普及していますが、1 つの大きな欠点があります。20) 2% の時間、二酸化炭素の代わりに酸素が誤って使用され、それをリサイクルする必要があるため、プロセスが遅くなり、エネルギーが浪費されます。XNUMX) 二酸化炭素が入るのを待つ間、葉の表面の気孔が頻繁に開き、植物が水分を失い、干ばつや熱に対してより脆弱になります。

C3 イネ (左) と C4 ソルガム (右) の芽の断面。両方の穀物は共通の祖先から進化しましたが、ソルガムはより効率的に光合成するように進化しました。
C3 イネ (左) と C4 ソルガム (右) の芽の断面。両方の穀物は共通の祖先から進化しましたが、ソルガムはより効率的に光合成するように進化しました。
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クレジット: ケンブリッジ大学のティナ・シュライアー

幸いなことに、進化は C4 光合成でこれらの問題を解決しました。C4 植物は、通常は葉脈を支える役割を果たす束鞘細胞を葉肉細胞と一緒に光合成に利用します。その結果、C4 植物は酸素の使用ミスを排除してエネルギーを節約し、植物表面の気孔をより頻繁に閉じて水分を節約します。その結果、C50 植物と比較して効率が 3% 向上します。

しかし、分子レベルでは、C3 植物が C4 植物に変化する原因は何でしょうか? また、科学者は C3 作物を C4 作物に変化させることができるのでしょうか?

これらの疑問に答えるために、ソーク研究所の科学者たちは最先端の単一細胞ゲノミクス技術を用いて、C3イネとC4ソルガムの違いを調べました。従来の方法は、葉肉細胞や束鞘細胞などの隣接する細胞を区別するには不正確すぎましたが、単一細胞ゲノミクスにより、チームは両方の植物の各細胞タイプの遺伝的および構造的変化を調査することができました。

「C3 植物と C4 植物の違いは特定の遺伝子の除去や追加ではないことがわかり、驚き、興奮しました」とエッカー氏は言う。「むしろ、違いは制御レベルにあり、長期的には C4 作物でより効率的な C3 光合成を開始することが容易になる可能性があります。」

生物内のすべての細胞には同じ遺伝子が含まれていますが、どの遺伝子がどの時点で発現するかによって、各細胞のアイデンティティと機能が決定されます。遺伝子発現を変更する方法の 1 つは、転写因子の活性です。これらのタンパク質は、遺伝子の近くにある DNA の小さな領域 (調節要素) を認識して結合します。調節要素に配置される転写因子は、近くの遺伝子を「オン」または「オフ」に切り替えるのに役立ちます。

イネとモロコシの遺伝子発現を測定したところ、両種において、DOF と一般に呼ばれる転写因子ファミリーが束鞘細胞を作る遺伝子のスイッチを入れる役割を担っていることがわかった。また、両種において DOF が同じ調節要素に結合していることにも気づいた。しかし、C4 モロコシでは、この調節要素は束鞘アイデンティティ遺伝子と関連しているだけでなく、光合成遺伝子もオンにしていた。これは、C4 植物が、ある時点で、束鞘遺伝子の祖先調節要素を光合成遺伝子に取り付け、DOF が両方の遺伝子セットを同時にオンにすることを示唆している。これは、C4 植物の束鞘細胞がどのようにして光合成能力を獲得したかを説明できるだろう。

これらの実験により、C3 植物と C4 植物の両方に、優れた C4 光合成プロセスに必要な遺伝子と転写因子が含まれていることが明らかになりました。これは、C3 植物が C4 光合成を使用するように促したいと考えている科学者にとって有望な発見です。

「今、私たちはさまざまな植物が太陽エネルギーをどのように利用してさまざまな環境で生き延びるかという青写真を手に入れました」と、この研究の共同筆頭著者であり、エッカー研究室の博士研究員であるジョセフ・スウィフトは言う。「最終的な目標は、C4光合成を開始し、将来に向けてより生産的で回復力のある作物を作り出すことです。」

チームの次の課題は、イネをC4ではなくC3光合成に改変できるかどうかを決定することです。これは非常に長期的な目標であり、重要な技術的課題が「C4ライスプロジェクト」 より近い将来、この調査結果は ソーク利用植物イニシアチブ気候変動の脅威と戦い、それに耐える最適化された作物を生み出すことが当社の使命です。

彼らの単一細胞ゲノムデータは世界中の科学者のためのリソースとしても共有されており、進化におけるこの長年の謎に対する答えとして急速に注目を集めています。

他の著者には、ソーク研究所のトラビス・リー氏とジョセフ・ネリー氏、英国ケンブリッジ大学のレオニー・ルギンビュール氏、レイ・フア氏、ティナ・シュライアー氏、ルース・ドナルド氏、スーザン・スタンレー氏、ナ・ワン氏、ジュリアン・ヒバード氏が含まれます。

この研究は、ハワード・ヒューズ医学研究所、バイオテクノロジー・生物科学研究会議、C4ライスプロジェクト、ビル&メリンダ・ゲイツ財団、生命科学研究財団、ハーシェル・スミス・フェローシップ、欧州分子生物学機構の支援を受けて行われた。

DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3

出版情報

ジャーナル

自然

TITLE

祖先細胞アイデンティティネットワークの適応によりC4光合成が可能になる

作者

ジョセフ・スウィフト、レオニー・H・ルギンビュール、レイ・フア、ティナ・B・シュライアー、ルース・M・ドナルド、スーザン・スタンレー、ナ・ワン、トラビス・A・リー、ジョセフ・R・ネリー、ジョセフ・R・エッカー、ジュリアン・M・ヒバード

研究分野

詳細については

通信局
電話:(858)453-4100
press@salk.edu

ソーク生物学研究所:

生命そのものの秘密を解き明かすことが、ソーク研究所の原動力です。 受賞歴のある世界クラスの科学者からなる当社のチームは、神経科学、がん研究、老化、免疫生物学、植物生物学、計算生物学などの分野で知識の限界を押し広げています。 最初の安全で効果的なポリオ ワクチンの開発者であるジョナス ソークによって設立されたこの研究所は、独立した非営利研究組織であり、建築上のランドマークでもあります。選択により小規模で、本質的に親密で、どんな困難にも恐れることはありません。